行波超声波电动机热源实验与仿真

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1、行波超声波电动机热源实验与仿真周培，姚志远，周凤拯(南京航空航天大学，江苏南京210016)摘要：以行波超声波电动机为研究对象，通过温度特性实验确定了其发热主要来源于压电陶瓷发热和摩擦生热；同时确定了摩擦层厚度、硬度，预压力和发热量的关系；用有限元软件分别对压电陶瓷发热部分和接触摩擦发热部分进行仿真，计算两热源分别作用时电机内的温度场。关键词：超声波电动机；温度特性；热源；仿真0引言超声波电动机作为新型换能装置，具有响应快(毫秒级)，不受磁场的干扰、无噪声、惯性小、断电自锁、控制性能好等特点，它的研究受到广泛地关注。行波型超声波电动机是目前最广泛使用的超声波电动机之一

2、。尽管行波型超声波电动机的运行特性比其它类型的超声波电动机要好得多，仍然因运行性能不稳定、使用寿命短和加工成本高等缺点，限制其产业化进程。超声波电动机在运行过程中产生热量，导致电机温度升高。温升是行波超声波电动机的运行特性不稳定和使用寿命短的主要原因之一。机体温度变化会使定子弹性体共振频率和摩擦材料的物理参数发生变化，从而导致超声波电动机的运行特性发生变化。过高的机体温度也会使压电陶瓷能量转化效率降低，并会出现退极化。因此，超声波电动机温升是导致超声波电动机运行不稳定、摩擦副的磨损加剧和使用寿命缩短的主要原因之一。研究超声波电动机发热的机理，寻求机体温升对超声波电动机

3、性能的影响规律，有助于改善超声波电动机的运行特性，提高电机的使用寿命。文献[1—2】研究陶瓷在特定温度场下的振动，文献【3】研究滑动摩擦中的摩擦发热和热机理【4】，吉林大学还做过超声马达的频率温度特性分析【5】。但是有关超声波电动机的发热源识别，以及压电陶瓷的发热和定、转子之间的摩擦发热的研究尚未见到报道。本文从压电陶瓷发热和摩擦生热两方面入手，建立了行波超声波电动机发热量的理论模型，并通过实验验证，该理论模型可以估计电机的发热量，有助于探求影响电机发热的因素，改善电机的发热情况。1行波超声波电动机的发热机理行波型超声波电动机的发热量主要来源于压电陶瓷发热，定子形变损

4、失的热量，摩擦层的发热；摩擦层的发热又包括摩擦材料内部分子的摩擦产生的热量和摩擦材料与定子上表面摩擦产生的热量。由于计算得到的定子形变损失的热量远小于压电陶瓷和摩擦层的热量，故电机的热量来源可以简化为两部分：压电陶瓷和摩擦层。1．1压电陶瓷产生的热量在压电陶瓷的几个重要参数中，其能量损耗主要由介电损耗表示。，PUIsin6⋯tgD。一Q2—U_／c—os‘1)．．127．有功功率(损失功率)P就是压电陶瓷以热量形式损耗的能量，则压电陶瓷的发热量可用P=户总sin8表示。一．电机定子及压电陶瓷的等效电路图如图1所示。其中，心是夹持等效电阻，表示介电损失，即电场强度E和电

5、位移D之间因滞后产生热的现象。则吃=P+Q，如=鼍(2)P：堡sin万L：≥兄==o-Jl<1图1定子及压电陶瓷等效电路压电陶瓷的发热量为Ql=Pt(3)1．2摩擦层产生的热量1．2．1接触摩擦产生的热量。超声波电动机的摩擦作用与传统的工程机械的摩擦作用，有着不同的作用机理。它不仅存在由于摩擦副的相对运动而产生的摩擦作用，而且在这种相互工向作用的同时存在z向的相互作用。z向的相互作用使得摩擦材料的内部应力发生周期变化。这两种作用都会导致电机发热。首先讨论由于定、转子在接触界面[61上各点的速度不同而产生的摩擦材料单位宽度的滑动摩擦损失功率，由参考文献【6】，它表示为。

6、，‰=2n／z￡p(．r)lvx(工)一咋b(4)其中，∥为摩擦材料的摩擦系数，咋为转子的线速度。这部分损失功率全部转化为摩擦界面上产生的热量，所以摩擦界面上的热量为Q2=eslipbmt(5)1．2．2摩擦材料内部分子摩擦产生的热量摩擦材料的内部发热是因为摩擦材料的压力变化而产生的。一个波峰上的压力毋：益n接触面上的平均接触应力仃：jL2口k，可求得接触范围2a，将口带入式(6)可以求得摩擦界面上的接触应力口。由于摩擦材料的微动运动为余弦形式，材料内的热流密度嘲：q=伽n屹国lcos(耐)I，型电机定转子之间的摩擦界面不随时间变化，可设r-'-O，则口=a玎w：J[

7、cos(ox)I=fzO'Wz×2矽其中，口为摩擦材料内部分子之间的摩擦系数。摩擦面上产生的热量：Q3=舭f则行波型超声波电动机发热量Q=Ql+Q2+Q3。．128．．(6)由于行波(7)2，行波超声波电动机的温度特性实验2．1电机的温度特性实验本文以①60ram行波超声波电动机为实验对象，用AFG3022信号发生器作为驱动器，在电机底座贴Ptl00温度传感器，测量电机表面温度变化，从而得出电机工作后的温升，计算电机的发热量。电机装夹在CZC一2转矩转速仪上。实验过程中始终保持100r／min的转速，空载。电机嵌入泡沫塑料模拟绝热保温。实验分为两大部